大脑可以通过“自言自语”学习？| Neuron论文推荐
图片来源：utahpeoplespost.com
来源 University of Geneva
翻译 阿金
审校 卓思琪
编辑 魏潇
所有动物都具备一定的学习能力，人类也不例外，甚至更加强大——这让我们能理解新的感觉信息，从而掌握新技能、适应不断变化的环境。但是，其中的科学原理我们仍然知之甚少。目前系统神经科学领域面临的最大挑战之一，就是探索动物适应行为背后的脑内突触连接改变机制。
此前瑞士日内瓦大学（UNIGE）的神经科学家已经发现，大脑皮层中的突触学习机制依赖于大脑更深处区域的反馈。他们目前破解出了这个谜题：这些反馈是通过调控特定的抑制性神经元来强化突触连接的。这项研究发表在《神经元》（Neuron）杂志上，不仅成为了探索知觉学习机制的重要里程碑，还可能为计算机学习系统和人工智能的发展提供思路。
皮层是最大的脑区，位于大脑外层，它在高级认知功能、复杂行为、知觉和学习过程中发挥着重要作用。当感觉刺激抵达大脑皮层的时候，皮层会加工并过滤这些信息，然后再传送给其他相关脑区。部分相关脑区还会将信息反馈给皮层。整个循环过程称为“反馈系统”（feedback system），是皮层网络发挥功能、适应新的感觉信息所必不可少的一环。
“知觉学习是机体对刺激的高级响应能力，在这一过程中神经回路首先会评估接收到的感觉信息的重要性，然后改进之后的信息处理方式。反馈系统从某种程度上来说，是来确认负责传递信息的突触是否正确地完成工作。”日内瓦大学医学院基础神经科学教授安东尼·霍特马特（Anthony Holtmaat）解释道。他是本项研究的领导者。
小鼠鼻子两边的胡须专门用于感知触觉信息，它在帮助动物理解身边的环境上发挥了重要作用。处理触须感觉信息的大脑皮层不断优化其突触，从而适应新的触觉环境。因此，它构成了一个有趣的模型——该模型可用来探索反馈系统在突触学习机制中的作用。
日内瓦大学的科学家分离出了与触须相关的反馈回路，并使用电极来测量皮层神经元的电活性。然后他们通过刺激皮层中处理感觉信息的特殊区域，来模仿感觉信息的输入；与此同时，使用光来控制反馈回路。
“这种体外模型能让我们独立控制反馈回路、不受感觉输入的干扰——在体模型就无法做到这一点。但如果要想了解两者之间的相互作用，将感觉输入和反馈回路隔断开是非常有必要的。”霍特马特补充说。
研究团队发现，分别触发“感觉传入”和“反馈回路”这两部分时，都会激活大范围的神经元。但同时触发它们的时候，一些神经元自身的活性就会降低。“这很有意思，当感觉输入和反馈回路同时被触发时，一些神经元会受到抑制，而这些神经元平时会抑制那些对感知觉来说相当重要的神经元——这就是我们所熟悉的‘对抑制的抑制’或者‘去抑制效应（disinhibition）’。”同是来自日内瓦大学医学院的莲娜·威廉姆斯（Leena Williams）解释道，她也是该论文的第一作者。
“因此，这些神经元就像一道门，一般情况下是关闭状态，将要进入的信息挡在门外。但是当反馈信息到来的时候，门就会打开，让突触接受这些主要的感觉信息来强化它们的连接强度。通过这项研究，我们明白了反馈回路如何通过优化突触连接，迎接即将到来的信息。”她继续讲到。
目前，研究者已经识别出这套机制会涉及哪些神经元，他们会在“现实生活”中对研究结果进行测试，从而检验这些抑制神经元是否能如预测所料那样“行动”——尤其是当小鼠需要学习新的感觉信息、或者在它发现了触觉环境“新大陆”的时候。
大脑回路如何优化自身？系统如何通过读取自己的活动来自学？除了和动物学习机制有关，这些问题同样是机器学习程序的核心问题。事实上，一些深度学习算法专家试图模仿大脑回路来构建人工智能系统。日内瓦大学团队提供的思路可能与无监督学习有关（无监督学习是机器学习的一个分支，通过自身的回路模型、自我组织来优化新信息的处理过程），这对创建更有效的语音或者面都识别程序至关重要。
论文信息
【标题】Higher-Order Thalamocortical Inputs Gate Synaptic Long-Term Potentiation via Disinhibition
【作者】Leena E. Williams and Anthony Holtmaat
【时间】2018.11.12
【期刊】Neuron
【DOI】https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.10.049
【摘要】Sensory experience and perceptual learning changes receptive field properties of cortical pyramidal neurons (PNs), largely mediated by synaptic long-term potentiation (LTP). The circuit mechanisms underlying cortical LTP remain unclear. In the mouse somatosensory cortex, LTP can be elicited in layer 2/3 PNs by rhythmic whisker stimulation. We dissected the synaptic circuitry underlying this type of plasticity in thalamocortical slices. We found that projections from higher-order, posterior medial thalamic complex (POm) are key to eliciting N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR)-dependent LTP of intracortical synapses. Paired activation of cortical and higher-order thalamocortical inputs increased vasoactive intestinal peptide (VIP) and parvalbumin (PV) interneuron (IN) activity and decreased somatostatin (SST) IN activity, which together disinhibited the PNs. VIP IN-mediated disinhibition was critical for inducing LTP. This study reveals a circuit motif in which higher-order thalamic inputs gate synaptic plasticity via disinhibition. This motif may allow contextual feedback to shape synaptic circuits that process first-order sensory information.
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